Dinámica

Camino de máxima suma en una matriz

PorJosé A. Alonso 8-marzo-201925-abril-2021

Los caminos desde el extremo superior izquierdo (posición (1,1)) hasta el extremo inferior derecho (posición (3,4)) en la matriz

   (  1  6 11  2 )
   (  7 12  3  8 )
   (  3  8  4  9 )

( 1 6 11 2 )

( 7 12 3 8 )

( 3 8 4 9 )

moviéndose en cada paso una casilla hacia abajo o hacia la derecha, son los siguientes:

   1, 7,  3, 8, 4, 9
   1, 7, 12, 8, 4, 9
   1, 7, 12, 3, 4, 9
   1, 7, 12, 3, 8, 9
   1, 6, 12, 8, 4, 9
   1, 6, 12, 3, 4, 9
   1, 6, 12, 3, 8, 9
   1, 6, 11, 3, 4, 9
   1, 6, 11, 3, 8, 9
   1, 6, 11, 2, 8, 9

1, 7, 3, 8, 4, 9

1, 7, 12, 8, 4, 9

1, 7, 12, 3, 4, 9

1, 7, 12, 3, 8, 9

1, 6, 12, 8, 4, 9

1, 6, 12, 3, 4, 9

1, 6, 12, 3, 8, 9

1, 6, 11, 3, 4, 9

1, 6, 11, 3, 8, 9

1, 6, 11, 2, 8, 9

Las sumas de los caminos son 32, 41, 36, 40, 40, 35, 39, 34, 38 y 37, respectivamente. El camino de máxima suma es el segundo (1, 7, 12, 8, 4, 9) que tiene una suma de 41.

Definir la función

   caminoMaxSuma :: Matrix Int -> [Int]

1	caminoMaxSuma :: Matrix Int -> [Int]

tal que (caminoMaxSuma m) es un camino de máxima suma en la matriz m desde el extremo superior izquierdo hasta el extremo inferior derecho, moviéndose en cada paso una casilla hacia abajo o hacia la derecha. Por ejemplo,

   λ> caminoMaxSuma (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]])
   [1,7,12,8,4,9]
   λ> sum (caminoMaxSuma (fromList 800 800 [1..]))
   766721999

λ> caminoMaxSuma (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]])

[1,7,12,8,4,9]

λ> sum (caminoMaxSuma (fromList 800 800 [1..]))

766721999

Soluciones

import Data.Matrix
import Test.QuickCheck

-- 1ª definición
-- =============

caminoMaxSuma1 :: Matrix Int -> [Int]
caminoMaxSuma1 m =
  head [c | c <- cs, sum c == k] 
  where cs = caminos1 m
        k  = maximum (map sum cs)

caminos1 :: Matrix Int -> [[Int]]
caminos1 m =
  map reverse (caminos1Aux m (nf,nc))
  where nf = nrows m
        nc = ncols m

-- (caminos1Aux p x) es la lista de los caminos invertidos en la matriz p
-- desde la posición (1,1) hasta la posición x. Por ejemplo,
caminos1Aux :: Matrix Int -> (Int,Int) -> [[Int]]
caminos1Aux m (1,1) = [[m!(1,1)]]
caminos1Aux m (1,j) = [[m!(1,k) | k <- [j,j-1..1]]]
caminos1Aux m (i,1) = [[m!(k,1) | k <- [i,i-1..1]]]
caminos1Aux m (i,j) = [m!(i,j) : xs
                      | xs <- caminos1Aux m (i,j-1) ++
                              caminos1Aux m (i-1,j)]

-- 2ª definición
-- =============

caminoMaxSuma2 :: Matrix Int -> [Int]
caminoMaxSuma2 m =
  head [c | c <- cs, sum c == k] 
  where cs = caminos2 m
        k  = maximum (map sum cs)

caminos2 :: Matrix Int -> [[Int]]
caminos2 m =
  map reverse (matrizCaminos m ! (nrows m, ncols m))

matrizCaminos :: Matrix Int -> Matrix [[Int]]
matrizCaminos m = q
  where
    q = matrix (nrows m) (ncols m) f
    f (1,y) = [[m!(1,z) | z <- [y,y-1..1]]]
    f (x,1) = [[m!(z,1) | z <- [x,x-1..1]]]
    f (x,y) = [m!(x,y) : cs | cs <- q!(x-1,y) ++ q!(x,y-1)]  

-- 3ª definición (con programación dinámica)
-- =========================================

caminoMaxSuma3 :: Matrix Int -> [Int]
caminoMaxSuma3 m = reverse (snd (q ! (nf,nc)))
  where nf = nrows m
        nc = ncols m
        q  = caminoMaxSumaAux m

caminoMaxSumaAux :: Matrix Int -> Matrix (Int,[Int])
caminoMaxSumaAux m = q 
  where
    nf = nrows m
    nc = ncols m
    q  = matrix nf nc f
      where
        f (1,1) = (m!(1,1),[m!(1,1)])
        f (1,j) = (k + m!(1,j), m!(1,j):xs)
          where (k,xs) = q!(1,j-1)
        f (i,1) = (k + m!(i,1), m!(i,1):xs)
          where (k,xs) = q!(i-1,1)        
        f (i,j) | k1 > k2   = (k1 + m!(i,j), m!(i,j):xs)
                | otherwise = (k2 + m!(i,j), m!(i,j):ys)
          where (k1,xs) = q!(i,j-1)
                (k2,ys) = q!(i-1,j)

-- Equivalencia de las definiciones
-- ================================

-- El generador es
instance Arbitrary a => Arbitrary (Matrix a) where
  arbitrary =  do
    m <- choose (1,7)
    n <- choose (1,7)
    xs <- Test.QuickCheck.vector (n*m)
    return (fromList m n xs)


-- Por ejemplo,
--    λ> sample' (arbitrary :: Gen (Matrix Int))
--    [( 0 )
--     ( 0 )
--     ( 0 )
--     ( 0 )
--    ,(  1  2 )
--     ( -1  1 )
--     ( -1 -2 )
--     (  1 -1 )
--     (  1  0 )
--     (  2  0 )
--     (  2 -2 )
--    ,( -4  4 -2 )
--     ( -2  0 -2 )
--     (  0 -1 -2 )
--     ( -4 -1  2 )
--    ,( -2  7 -3  1 -5 -3  5 )
--     (  0  2  7 -1 -5  7 -6 )
--     (  1  7 -8  1  6 -7  5 )
--     ( -4  7 -2 -7 -5  5 -8 )
--    ...

-- La propiedad es
prop_caminoMaxSuma :: Matrix Int -> Bool
prop_caminoMaxSuma m =
  x1 == x2 && x2 == x3
  where x1 = sum (caminoMaxSuma1 m)
        x2 = sum (caminoMaxSuma2 m)
        x3 = sum (caminoMaxSuma1 m)

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_caminoMaxSuma
--    +++ OK, passed 100 tests.


-- Comparación de eficiencia
-- -------------------------

--    λ> length (caminoMaxSuma1 (fromList 11 11 [1..]))
--    21
--    (10.00 secs, 1,510,120,328 bytes)
--    λ> length (caminoMaxSuma2 (fromList 11 11 [1..]))
--    21
--    (3.84 secs, 745,918,544 bytes)
--    λ> length (caminoMaxSuma3 (fromList 11 11 [1..]))
--    21
--    (0.01 secs, 0 bytes)

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import Data.Matrix

import Test.QuickCheck

-- 1ª definición

-- =============

caminoMaxSuma1 :: Matrix Int -> [Int]

caminoMaxSuma1 m =

head [c | c <- cs, sum c == k]

where cs = caminos1 m

k = maximum (map sum cs)

caminos1 :: Matrix Int -> [[Int]]

caminos1 m =

map reverse (caminos1Aux m (nf,nc))

where nf = nrows m

nc = ncols m

-- (caminos1Aux p x) es la lista de los caminos invertidos en la matriz p

-- desde la posición (1,1) hasta la posición x. Por ejemplo,

caminos1Aux :: Matrix Int -> (Int,Int) -> [[Int]]

caminos1Aux m (1,1) = [[m!(1,1)]]

caminos1Aux m (1,j) = [[m!(1,k) | k <- [j,j-1..1]]]

caminos1Aux m (i,1) = [[m!(k,1) | k <- [i,i-1..1]]]

caminos1Aux m (i,j) = [m!(i,j) : xs

| xs <- caminos1Aux m (i,j-1) ++

caminos1Aux m (i-1,j)]

-- 2ª definición

-- =============

caminoMaxSuma2 :: Matrix Int -> [Int]

caminoMaxSuma2 m =

head [c | c <- cs, sum c == k]

where cs = caminos2 m

k = maximum (map sum cs)

caminos2 :: Matrix Int -> [[Int]]

caminos2 m =

map reverse (matrizCaminos m ! (nrows m, ncols m))

matrizCaminos :: Matrix Int -> Matrix [[Int]]

matrizCaminos m = q

where

q = matrix (nrows m) (ncols m) f

f (1,y) = [[m!(1,z) | z <- [y,y-1..1]]]

f (x,1) = [[m!(z,1) | z <- [x,x-1..1]]]

f (x,y) = [m!(x,y) : cs | cs <- q!(x-1,y) ++ q!(x,y-1)]

-- 3ª definición (con programación dinámica)

-- =========================================

caminoMaxSuma3 :: Matrix Int -> [Int]

caminoMaxSuma3 m = reverse (snd (q ! (nf,nc)))

where nf = nrows m

nc = ncols m

q = caminoMaxSumaAux m

caminoMaxSumaAux :: Matrix Int -> Matrix (Int,[Int])

caminoMaxSumaAux m = q

where

nf = nrows m

nc = ncols m

q = matrix nf nc f

where

f (1,1) = (m!(1,1),[m!(1,1)])

f (1,j) = (k + m!(1,j), m!(1,j):xs)

where (k,xs) = q!(1,j-1)

f (i,1) = (k + m!(i,1), m!(i,1):xs)

where (k,xs) = q!(i-1,1)

f (i,j) | k1 > k2 = (k1 + m!(i,j), m!(i,j):xs)

| otherwise = (k2 + m!(i,j), m!(i,j):ys)

where (k1,xs) = q!(i,j-1)

(k2,ys) = q!(i-1,j)

-- Equivalencia de las definiciones

-- ================================

-- El generador es

instance Arbitrary a => Arbitrary (Matrix a) where

arbitrary = do

m <- choose (1,7)

n <- choose (1,7)

xs <- Test.QuickCheck.vector (n*m)

return (fromList m n xs)

-- Por ejemplo,

-- λ> sample' (arbitrary :: Gen (Matrix Int))

-- [( 0 )

-- ( 0 )

-- ,( 1 2 )

-- ( -1 1 )

-- ( -1 -2 )

-- ( 1 -1 )

-- ( 1 0 )

-- ( 2 0 )

-- ( 2 -2 )

-- ,( -4 4 -2 )

-- ( -2 0 -2 )

-- ( 0 -1 -2 )

-- ( -4 -1 2 )

-- ,( -2 7 -3 1 -5 -3 5 )

-- ( 0 2 7 -1 -5 7 -6 )

-- ( 1 7 -8 1 6 -7 5 )

-- ( -4 7 -2 -7 -5 5 -8 )

-- ...

-- La propiedad es

prop_caminoMaxSuma :: Matrix Int -> Bool

prop_caminoMaxSuma m =

x1 == x2 && x2 == x3

where x1 = sum (caminoMaxSuma1 m)

x2 = sum (caminoMaxSuma2 m)

x3 = sum (caminoMaxSuma1 m)

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_caminoMaxSuma

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia

-- -------------------------

-- λ> length (caminoMaxSuma1 (fromList 11 11 [1..]))

-- 21

-- (10.00 secs, 1,510,120,328 bytes)

-- λ> length (caminoMaxSuma2 (fromList 11 11 [1..]))

-- 21

-- (3.84 secs, 745,918,544 bytes)

-- λ> length (caminoMaxSuma3 (fromList 11 11 [1..]))

-- 21

-- (0.01 secs, 0 bytes)

Pensamiento

Caminante, no hay camino,
sino estelas en la mar.

Antonio Machado

Número de descomposiciones en sumas de cuatro cuadrados

PorJosé A. Alonso 1-marzo-201926-marzo-2022

Definir la función

   nDescomposiciones       :: Int -> Int
   graficaDescomposiciones :: Int -> IO ()

1 2	nDescomposiciones :: Int -> Int graficaDescomposiciones :: Int -> IO ()

tales que

(nDescomposiciones x) es el número de listas de los cuadrados de cuatro números enteros positivos cuya suma es x. Por ejemplo.

     nDescomposiciones 4      ==  1
     nDescomposiciones 5      ==  0
     nDescomposiciones 7      ==  4
     nDescomposiciones 10     ==  6
     nDescomposiciones 15     ==  12
     nDescomposiciones 50000  ==  5682

nDescomposiciones 4 == 1

nDescomposiciones 5 == 0

nDescomposiciones 7 == 4

nDescomposiciones 10 == 6

nDescomposiciones 15 == 12

nDescomposiciones 50000 == 5682

(graficaDescomposiciones n) dibuja la gráfica del número de descomposiciones de los n primeros números naturales. Por ejemplo, (graficaDescomposiciones 500) dibuja

Soluciones

import Data.Array
import Graphics.Gnuplot.Simple
import Test.QuickCheck

-- 1ª solución
-- ===========

nDescomposiciones :: Int -> Int
nDescomposiciones = length . descomposiciones

-- (descomposiciones x) es la lista de las listas de los cuadrados de
-- cuatro números enteros positivos cuya suma es x. Por  ejemplo. 
--    λ> descomposiciones 4
--    [[1,1,1,1]]
--    λ> descomposiciones 5
--    []
--    λ> descomposiciones 7
--    [[1,1,1,4],[1,1,4,1],[1,4,1,1],[4,1,1,1]]
--    λ> descomposiciones 10
--    [[1,1,4,4],[1,4,1,4],[1,4,4,1],[4,1,1,4],[4,1,4,1],[4,4,1,1]]
--    λ> descomposiciones 15
--    [[1,1,4,9],[1,1,9,4],[1,4,1,9],[1,4,9,1],[1,9,1,4],[1,9,4,1],
--     [4,1,1,9],[4,1,9,1],[4,9,1,1],[9,1,1,4],[9,1,4,1],[9,4,1,1]]
descomposiciones :: Int -> [[Int]]
descomposiciones x = aux x 4
  where 
    aux 0 1 = []
    aux 1 1 = [[1]]
    aux 2 1 = []
    aux 3 1 = []
    aux y 1 | esCuadrado y = [[y]]
            | otherwise    = []
    aux y n = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera y]
                        , zs <- aux (y - x^2) (n-1)]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado 25  ==  True
--    esCuadrado 26  ==  False
esCuadrado :: Int -> Bool
esCuadrado x = (raizEntera x)^2 == x

-- (raizEntera n) es el mayor entero cuya raíz cuadrada es menor o igual
-- que n. Por ejemplo,
--    raizEntera 15  ==  3
--    raizEntera 16  ==  4
--    raizEntera 17  ==  4
raizEntera :: Int -> Int
raizEntera = floor . sqrt . fromIntegral 

-- 2ª solución
-- =============

nDescomposiciones2 :: Int -> Int
nDescomposiciones2 = length . descomposiciones2

descomposiciones2 :: Int -> [[Int]]
descomposiciones2 x = a ! (x,4)
  where
    a = array ((0,1),(x,4)) [((i,j), f i j) | i <- [0..x], j <- [1..4]]
    f 0 1 = []
    f 1 1 = [[1]]
    f 2 1 = []
    f 3 1 = []
    f i 1 | esCuadrado i = [[i]]
          | otherwise    = []
    f i j = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera i]
                      , zs <- a ! (i - x^2,j-1)]

-- 3ª solución
-- ===========

nDescomposiciones3 :: Int -> Int
nDescomposiciones3 x = aux x 4
  where
    aux 0 1 = 0
    aux 1 1 = 1
    aux 2 1 = 0
    aux 3 1 = 0
    aux y 1 | esCuadrado y = 1
            | otherwise    = 0
    aux y n = sum [aux (y - x^2) (n-1) | x <- [1..raizEntera y]]

-- 4ª solución
-- ===========

nDescomposiciones4 :: Int -> Int
nDescomposiciones4 x = a ! (x,4)
  where
    a = array ((0,1),(x,4)) [((i,j), f i j) | i <- [0..x], j <- [1..4]]
    f 0 1 = 0
    f 1 1 = 1
    f 2 1 = 0
    f 3 1 = 0
    f i 1 | esCuadrado i = 1
          | otherwise    = 0
    f i j = sum [a ! (i- x^2,j-1) | x <- [1..raizEntera i]]

-- Comprobación de equivalencia
-- ============================

-- La propiedad es
prop_nDescomposiciones :: Positive Int -> Bool
prop_nDescomposiciones (Positive x) =
  all (== nDescomposiciones x) [f x | f <- [ nDescomposiciones2
                                           , nDescomposiciones3
                                           , nDescomposiciones4]]

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_nDescomposiciones
--    +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia
-- =========================

--    λ> nDescomposiciones 20000
--    1068
--    (3.69 secs, 3,307,250,128 bytes)
--    λ> nDescomposiciones2 20000
--    1068
--    (0.72 secs, 678,419,328 bytes)
--    λ> nDescomposiciones3 20000
--    1068
--    (3.94 secs, 3,485,725,552 bytes)
--    λ> nDescomposiciones4 20000
--    1068
--    (0.74 secs, 716,022,456 bytes)
--    
--    λ> nDescomposiciones2 50000
--    5682
--    (2.64 secs, 2,444,206,000 bytes)
--    λ> nDescomposiciones4 50000
--    5682
--    (2.77 secs, 2,582,443,448 bytes)

-- Definición de graficaDescomposiciones
-- =====================================

graficaDescomposiciones :: Int -> IO ()
graficaDescomposiciones n =
  plotList [ Key Nothing
           , PNG ("Numero_de_descomposiciones_en_sumas_de_cuadrados.png")
           ]
           (map nDescomposiciones3 [0..n])

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import Data.Array

import Graphics.Gnuplot.Simple

import Test.QuickCheck

-- 1ª solución

-- ===========

nDescomposiciones :: Int -> Int

nDescomposiciones = length . descomposiciones

-- (descomposiciones x) es la lista de las listas de los cuadrados de

-- cuatro números enteros positivos cuya suma es x. Por ejemplo.

-- λ> descomposiciones 4

-- [[1,1,1,1]]

-- λ> descomposiciones 5

-- []

-- λ> descomposiciones 7

-- [[1,1,1,4],[1,1,4,1],[1,4,1,1],[4,1,1,1]]

-- λ> descomposiciones 10

-- [[1,1,4,4],[1,4,1,4],[1,4,4,1],[4,1,1,4],[4,1,4,1],[4,4,1,1]]

-- λ> descomposiciones 15

-- [[1,1,4,9],[1,1,9,4],[1,4,1,9],[1,4,9,1],[1,9,1,4],[1,9,4,1],

-- [4,1,1,9],[4,1,9,1],[4,9,1,1],[9,1,1,4],[9,1,4,1],[9,4,1,1]]

descomposiciones :: Int -> [[Int]]

descomposiciones x = aux x 4

where

aux 0 1 = []

aux 1 1 = [[1]]

aux 2 1 = []

aux 3 1 = []

aux y 1 | esCuadrado y = [[y]]

| otherwise = []

aux y n = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera y]

, zs <- aux (y - x^2) (n-1)]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por

-- ejemplo,

-- esCuadrado 25 == True

-- esCuadrado 26 == False

esCuadrado :: Int -> Bool

esCuadrado x = (raizEntera x)^2 == x

-- (raizEntera n) es el mayor entero cuya raíz cuadrada es menor o igual

-- que n. Por ejemplo,

-- raizEntera 15 == 3

-- raizEntera 16 == 4

-- raizEntera 17 == 4

raizEntera :: Int -> Int

raizEntera = floor . sqrt . fromIntegral

-- 2ª solución

-- =============

nDescomposiciones2 :: Int -> Int

nDescomposiciones2 = length . descomposiciones2

descomposiciones2 :: Int -> [[Int]]

descomposiciones2 x = a ! (x,4)

where

a = array ((0,1),(x,4)) [((i,j), f i j) | i <- [0..x], j <- [1..4]]

f 0 1 = []

f 1 1 = [[1]]

f 2 1 = []

f 3 1 = []

f i 1 | esCuadrado i = [[i]]

| otherwise = []

f i j = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera i]

, zs <- a ! (i - x^2,j-1)]

-- 3ª solución

-- ===========

nDescomposiciones3 :: Int -> Int

nDescomposiciones3 x = aux x 4

where

aux 0 1 = 0

aux 1 1 = 1

aux 2 1 = 0

aux 3 1 = 0

aux y 1 | esCuadrado y = 1

| otherwise = 0

aux y n = sum [aux (y - x^2) (n-1) | x <- [1..raizEntera y]]

-- 4ª solución

-- ===========

nDescomposiciones4 :: Int -> Int

nDescomposiciones4 x = a ! (x,4)

where

a = array ((0,1),(x,4)) [((i,j), f i j) | i <- [0..x], j <- [1..4]]

f 0 1 = 0

f 1 1 = 1

f 2 1 = 0

f 3 1 = 0

f i 1 | esCuadrado i = 1

| otherwise = 0

f i j = sum [a ! (i- x^2,j-1) | x <- [1..raizEntera i]]

-- Comprobación de equivalencia

-- ============================

-- La propiedad es

prop_nDescomposiciones :: Positive Int -> Bool

prop_nDescomposiciones (Positive x) =

all (== nDescomposiciones x) [f x | f <- [ nDescomposiciones2

, nDescomposiciones3

, nDescomposiciones4]]

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_nDescomposiciones

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia

-- =========================

-- λ> nDescomposiciones 20000

-- 1068

-- (3.69 secs, 3,307,250,128 bytes)

-- λ> nDescomposiciones2 20000

-- 1068

-- (0.72 secs, 678,419,328 bytes)

-- λ> nDescomposiciones3 20000

-- 1068

-- (3.94 secs, 3,485,725,552 bytes)

-- λ> nDescomposiciones4 20000

-- 1068

-- (0.74 secs, 716,022,456 bytes)

-- λ> nDescomposiciones2 50000

-- 5682

-- (2.64 secs, 2,444,206,000 bytes)

-- λ> nDescomposiciones4 50000

-- 5682

-- (2.77 secs, 2,582,443,448 bytes)

-- Definición de graficaDescomposiciones

-- =====================================

graficaDescomposiciones :: Int -> IO ()

graficaDescomposiciones n =

plotList [ Key Nothing

, PNG ("Numero_de_descomposiciones_en_sumas_de_cuadrados.png")

]

(map nDescomposiciones3 [0..n])

Pensamiento

Ya habrá cigüeñas al sol,
mirando la tarde roja,
entre Moncayo y Urbión.

Antonio Machado

Descomposiciones en sumas de cuatro cuadrados

PorJosé A. Alonso 28-febrero-20197-marzo-2019

Definir la función

   descomposiciones :: Int -> [[Int]]

1	descomposiciones :: Int -> [[Int]]

tal que (descomposiciones x) es la lista de las listas de los cuadrados de cuatro números enteros positivos cuya suma es x. Por ejemplo.

   λ> descomposiciones 4
   [[1,1,1,1]]
   λ> descomposiciones 5
   []
   λ> descomposiciones 7
   [[1,1,1,4],[1,1,4,1],[1,4,1,1],[4,1,1,1]]
   λ> descomposiciones 10
   [[1,1,4,4],[1,4,1,4],[1,4,4,1],[4,1,1,4],[4,1,4,1],[4,4,1,1]]
   λ> descomposiciones 15
   [[1,1,4,9],[1,1,9,4],[1,4,1,9],[1,4,9,1],[1,9,1,4],[1,9,4,1],
    [4,1,1,9],[4,1,9,1],[4,9,1,1],[9,1,1,4],[9,1,4,1],[9,4,1,1]]
   λ> length (descomposiciones 50000)
   5682

λ> descomposiciones 4

[[1,1,1,1]]

λ> descomposiciones 5

[]

λ> descomposiciones 7

[[1,1,1,4],[1,1,4,1],[1,4,1,1],[4,1,1,1]]

λ> descomposiciones 10

[[1,1,4,4],[1,4,1,4],[1,4,4,1],[4,1,1,4],[4,1,4,1],[4,4,1,1]]

λ> descomposiciones 15

[[1,1,4,9],[1,1,9,4],[1,4,1,9],[1,4,9,1],[1,9,1,4],[1,9,4,1],

[4,1,1,9],[4,1,9,1],[4,9,1,1],[9,1,1,4],[9,1,4,1],[9,4,1,1]]

λ> length (descomposiciones 50000)

5682

Soluciones

import Data.Array
import Test.QuickCheck

-- 1ª definición
-- =============

descomposiciones :: Int -> [[Int]]
descomposiciones x = aux x 4
  where 
    aux 0 1 = []
    aux 1 1 = [[1]]
    aux 2 1 = []
    aux 3 1 = []
    aux y 1 | esCuadrado y = [[y]]
            | otherwise    = []
    aux y n = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera y]
                        , zs <- aux (y - x^2) (n-1)]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado 25  ==  True
--    esCuadrado 26  ==  False
esCuadrado :: Int -> Bool
esCuadrado x = (raizEntera x)^2 == x

-- (raizEntera n) es el mayor entero cuya raíz cuadrada es menor o igual
-- que n. Por ejemplo,
--    raizEntera 15  ==  3
--    raizEntera 16  ==  4
--    raizEntera 17  ==  4
raizEntera :: Int -> Int
raizEntera = floor . sqrt . fromIntegral 

-- 2ª definición
-- =============

descomposiciones2 :: Int -> [[Int]]
descomposiciones2 x = a ! (x,4)
  where
    a = array ((0,1),(x,4)) [((i,j), f i j) | i <- [0..x], j <- [1..4]]
    f 0 1 = []
    f 1 1 = [[1]]
    f 2 1 = []
    f 3 1 = []
    f i 1 | esCuadrado i = [[i]]
          | otherwise    = []
    f i j = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera i]
                      , zs <- a ! (i - x^2,j-1)]

-- Comprobación de equivalencia
-- ============================

-- La propiedad es
prop_descomposiciones :: Positive Int -> Bool
prop_descomposiciones (Positive x) =
  descomposiciones x == descomposiciones2 x

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_descomposiciones
--    +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia
-- =========================

-- La comparación es
--    λ> length (descomposiciones (2*10^4))
--    1068
--    (3.70 secs, 3,307,251,704 bytes)
--    λ> length (descomposiciones2 (2*10^4))
--    1068
--    (0.72 secs, 678,416,144 bytes)

import Data.Array

import Test.QuickCheck

-- 1ª definición

-- =============

descomposiciones :: Int -> [[Int]]

descomposiciones x = aux x 4

where

aux 0 1 = []

aux 1 1 = [[1]]

aux 2 1 = []

aux 3 1 = []

aux y 1 | esCuadrado y = [[y]]

| otherwise = []

aux y n = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera y]

, zs <- aux (y - x^2) (n-1)]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por

-- ejemplo,

-- esCuadrado 25 == True

-- esCuadrado 26 == False

esCuadrado :: Int -> Bool

esCuadrado x = (raizEntera x)^2 == x

-- (raizEntera n) es el mayor entero cuya raíz cuadrada es menor o igual

-- que n. Por ejemplo,

-- raizEntera 15 == 3

-- raizEntera 16 == 4

-- raizEntera 17 == 4

raizEntera :: Int -> Int

raizEntera = floor . sqrt . fromIntegral

-- 2ª definición

-- =============

descomposiciones2 :: Int -> [[Int]]

descomposiciones2 x = a ! (x,4)

where

a = array ((0,1),(x,4)) [((i,j), f i j) | i <- [0..x], j <- [1..4]]

f 0 1 = []

f 1 1 = [[1]]

f 2 1 = []

f 3 1 = []

f i 1 | esCuadrado i = [[i]]

| otherwise = []

f i j = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera i]

, zs <- a ! (i - x^2,j-1)]

-- Comprobación de equivalencia

-- ============================

-- La propiedad es

prop_descomposiciones :: Positive Int -> Bool

prop_descomposiciones (Positive x) =

descomposiciones x == descomposiciones2 x

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_descomposiciones

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia

-- =========================

-- La comparación es

-- λ> length (descomposiciones (2*10^4))

-- 1068

-- (3.70 secs, 3,307,251,704 bytes)

-- λ> length (descomposiciones2 (2*10^4))

-- 1068

-- (0.72 secs, 678,416,144 bytes)

Pensamiento

No extrañéis, dulces amigos,
que esté mi frente arrugada;
yo vivo en paz con los hombres
y en guerra con mis entrañas.

Antonio Machado

Número de particiones de un conjunto

PorJosé A. Alonso 27-febrero-20196-marzo-2019

Una partición de un conjunto A es un conjunto de subconjuntos no vacíos de A, disjuntos dos a dos y cuya unión es A. Por ejemplo, el conjunto {1, 2, 3} tiene exactamente 5 particiones:

   {{1}, {2}, {3}}
   {{1,2}, {3}}
   {{1,3}, {2}}
   {{1}, {2,3}}
   {{1,2,3}}

{{1}, {2}, {3}}

{{1,2}, {3}}

{{1,3}, {2}}

{{1}, {2,3}}

Definir la función

   nParticiones :: [a] -> Integer

1	nParticiones :: [a] -> Integer

tal que (nParticiones xs) es el número de particiones de xs. Por ejemplo,

   nParticiones [1,2]                     ==  2
   nParticiones [1,2,3]                   ==  5
   nParticiones "abcd"                    ==  15
   length (show (nParticiones [1..500]))  ==  844

nParticiones [1,2] == 2

nParticiones [1,2,3] == 5

nParticiones "abcd" == 15

length (show (nParticiones [1..500])) == 844

Soluciones

import Data.List  ( genericLength
                  )
import Data.Array ( Array
                  , (!)
                  , array
                  )

-- 1ª definición
-- =============

nParticiones :: [a] -> Integer
nParticiones xs =
  genericLength (particiones xs)

-- (particiones xs) es el conjunto de las particiones de xs. Por
-- ejemplo, 
--    λ> particiones [1,2]
--    [[[1,2]],[[1],[2]]]
--    λ> particiones [1,2,3]
--    [[[1,2,3]],[[1],[2,3]],[[1,2],[3]],[[2],[1,3]],[[1],[2],[3]]]
particiones :: [a] -> [[[a]]]
particiones [] = [[]]
particiones xs =
  concat [particionesFijas xs k | k <- [0..length xs]]

-- (particionesFijas xs k) es el conjunto de las particiones de xs en k
-- subconjuntos. Por ejemplo,
--    particionesFijas [1,2,3] 0  ==  []
--    particionesFijas [1,2,3] 1  ==  [[[1,2,3]]]
--    particionesFijas [1,2,3] 2  ==  [[[1],[2,3]],[[1,2],[3]],[[2],[1,3]]]
--    particionesFijas [1,2,3] 3  ==  [[[1],[2],[3]]]
--    particionesFijas [1,2,3] 4  ==  []
particionesFijas :: [a] -> Int -> [[[a]]]
particionesFijas [] _ = []
particionesFijas xs 1 = [[xs]]
particionesFijas (x:xs) k =
   [[x]:ys | ys <- particionesFijas xs (k-1)] ++
   concat [inserta x ys | ys <- particionesFijas xs k]

-- (inserta x yss) es la lista obtenida insertando x en cada uno de los
-- elementos de yss. Por ejemplo, 
--    λ> inserta 1 [[2,3],[4],[5,6,7]]
--    [[[1,2,3],[4],[5,6,7]],[[2,3],[1,4],[5,6,7]],[[2,3],[4],[1,5,6,7]]]
inserta :: a -> [[a]] -> [[[a]]]
inserta _ []       = []
inserta x (ys:yss) = ((x:ys):yss) : [ys : zs | zs <- inserta x yss] 

-- 2ª definición
-- =============

nParticiones2 :: [a] -> Integer
nParticiones2 xs = sum [nParticionesFijas n k | k <- [0..n]]
  where n = genericLength xs

-- nPparticionesFijas n k) es el número de las particiones de un
-- conjunto con n elementos en k subconjuntos. Por ejemplo,
--    nParticionesFijas 3 0  ==  0
--    nParticionesFijas 3 1  ==  1
--    nParticionesFijas 3 2  ==  3
--    nParticionesFijas 3 3  ==  1
--    nParticionesFijas 3 4  ==  0
nParticionesFijas :: Integer -> Integer -> Integer
nParticionesFijas 0 0 = 1
nParticionesFijas 0 _ = 0
nParticionesFijas n 1 = 1
nParticionesFijas n k = nParticionesFijas (n-1) (k-1) + k * nParticionesFijas (n-1) k

-- 3ª definición
-- =============

nParticiones3 :: [a] -> Integer
nParticiones3 xs = sum [a ! (n,k) | k <- [0..n]]
  where n = genericLength xs
        a = matrizNParticiones n

-- (matrizNParticiones n) es la matriz de dimensión ((0,0),(n,n)) que en
-- la posición (i,j) tiene el número de particiones de un conjunto de i
-- elementos en j subconjuntos. Por ejemplo,
--    λ> matrizNParticiones 3
--    array ((0,0),(3,3))
--          [((0,0),0),((0,1),0),((0,2),0),((0,3),0),
--           ((1,0),0),((1,1),1),((1,2),0),((1,3),0),
--           ((2,0),0),((2,1),1),((2,2),1),((2,3),0),
--           ((3,0),0),((3,1),1),((3,2),3),((3,3),1)]
--    λ> matrizNParticiones 4
--    array ((0,0),(4,4))
--          [((0,0),0),((0,1),0),((0,2),0),((0,3),0),((0,4),0),
--           ((1,0),0),((1,1),1),((1,2),0),((1,3),0),((1,4),0),
--           ((2,0),0),((2,1),1),((2,2),1),((2,3),0),((2,4),0),
--           ((3,0),0),((3,1),1),((3,2),3),((3,3),1),((3,4),0),
--           ((4,0),0),((4,1),1),((4,2),7),((4,3),6),((4,4),1)]
matrizNParticiones :: Integer -> Array (Integer,Integer) Integer
matrizNParticiones n = a 
  where
    a = array ((0,0),(n,n)) [((i,j), f i j) | i <- [0..n], j <- [0..n]]
    f 0 0 = 1
    f 0 _ = 0
    f _ 0 = 0
    f _ 1 = 1
    f i j = a ! (i-1,j-1) + j * a ! (i-1,j)

-- 4ª definición
-- =============

nParticiones4 :: [a] -> Integer
nParticiones4 xs = sum [a ! (n,k) | k <- [0..n]]
  where
    n = genericLength xs
    a = array ((0,0),(n,n)) [((i,j), f i j) | i <- [0..n], j <- [0..n]]
    f 0 0 = 1
    f 0 _ = 0
    f _ 0 = 0
    f _ 1 = 1
    f i j = a ! (i-1,j-1) + j * a ! (i-1,j)

-- Comparación de eficiencia
-- =========================

--    λ> nParticiones [1..11]
--    678570
--    (3.77 secs, 705,537,480 bytes)
--    λ> nParticiones2 [1..11]
--    678570
--    (0.07 secs, 6,656,584 bytes)
--    λ> nParticiones3 [1..11]
--    678570
--    (0.01 secs, 262,176 bytes)
--    λ> nParticiones4 [1..11]
--    678570
--    (0.01 secs, 262,264 bytes)
--    
--    λ> nParticiones2 [1..16]
--    10480142147
--    (2.24 secs, 289,774,408 bytes)
--    λ> nParticiones3 [1..16]
--    10480142147
--    (0.01 secs, 437,688 bytes)
--    λ> nParticiones4 [1..16]
--    10480142147
--    (0.01 secs, 437,688 bytes)
--    
--    λ> length (show (nParticiones3 [1..500]))
--    844
--    (2.23 secs, 357,169,528 bytes)
--    λ> length (show (nParticiones4 [1..500]))
--    844
--    (2.20 secs, 357,172,680 bytes)

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

147

import Data.List ( genericLength

)

import Data.Array ( Array

, (!)

, array

)

-- 1ª definición

-- =============

nParticiones :: [a] -> Integer

nParticiones xs =

genericLength (particiones xs)

-- (particiones xs) es el conjunto de las particiones de xs. Por

-- ejemplo,

-- λ> particiones [1,2]

-- [[[1,2]],[[1],[2]]]

-- λ> particiones [1,2,3]

-- [[[1,2,3]],[[1],[2,3]],[[1,2],[3]],[[2],[1,3]],[[1],[2],[3]]]

particiones :: [a] -> [[[a]]]

particiones [] = [[]]

particiones xs =

concat [particionesFijas xs k | k <- [0..length xs]]

-- (particionesFijas xs k) es el conjunto de las particiones de xs en k

-- subconjuntos. Por ejemplo,

-- particionesFijas [1,2,3] 0 == []

-- particionesFijas [1,2,3] 1 == [[[1,2,3]]]

-- particionesFijas [1,2,3] 2 == [[[1],[2,3]],[[1,2],[3]],[[2],[1,3]]]

-- particionesFijas [1,2,3] 3 == [[[1],[2],[3]]]

-- particionesFijas [1,2,3] 4 == []

particionesFijas :: [a] -> Int -> [[[a]]]

particionesFijas [] _ = []

particionesFijas xs 1 = [[xs]]

particionesFijas (x:xs) k =

[[x]:ys | ys <- particionesFijas xs (k-1)] ++

concat [inserta x ys | ys <- particionesFijas xs k]

-- (inserta x yss) es la lista obtenida insertando x en cada uno de los

-- elementos de yss. Por ejemplo,

-- λ> inserta 1 [[2,3],[4],[5,6,7]]

-- [[[1,2,3],[4],[5,6,7]],[[2,3],[1,4],[5,6,7]],[[2,3],[4],[1,5,6,7]]]

inserta :: a -> [[a]] -> [[[a]]]

inserta _ [] = []

inserta x (ys:yss) = ((x:ys):yss) : [ys : zs | zs <- inserta x yss]

-- 2ª definición

-- =============

nParticiones2 :: [a] -> Integer

nParticiones2 xs = sum [nParticionesFijas n k | k <- [0..n]]

where n = genericLength xs

-- nPparticionesFijas n k) es el número de las particiones de un

-- conjunto con n elementos en k subconjuntos. Por ejemplo,

-- nParticionesFijas 3 0 == 0

-- nParticionesFijas 3 1 == 1

-- nParticionesFijas 3 2 == 3

-- nParticionesFijas 3 3 == 1

-- nParticionesFijas 3 4 == 0

nParticionesFijas :: Integer -> Integer -> Integer

nParticionesFijas 0 0 = 1

nParticionesFijas 0 _ = 0

nParticionesFijas n 1 = 1

nParticionesFijas n k = nParticionesFijas (n-1) (k-1) + k * nParticionesFijas (n-1) k

-- 3ª definición

-- =============

nParticiones3 :: [a] -> Integer

nParticiones3 xs = sum [a ! (n,k) | k <- [0..n]]

where n = genericLength xs

a = matrizNParticiones n

-- (matrizNParticiones n) es la matriz de dimensión ((0,0),(n,n)) que en

-- la posición (i,j) tiene el número de particiones de un conjunto de i

-- elementos en j subconjuntos. Por ejemplo,

-- λ> matrizNParticiones 3

-- array ((0,0),(3,3))

-- [((0,0),0),((0,1),0),((0,2),0),((0,3),0),

-- ((1,0),0),((1,1),1),((1,2),0),((1,3),0),

-- ((2,0),0),((2,1),1),((2,2),1),((2,3),0),

-- ((3,0),0),((3,1),1),((3,2),3),((3,3),1)]

-- λ> matrizNParticiones 4

-- array ((0,0),(4,4))

-- [((0,0),0),((0,1),0),((0,2),0),((0,3),0),((0,4),0),

-- ((1,0),0),((1,1),1),((1,2),0),((1,3),0),((1,4),0),

-- ((2,0),0),((2,1),1),((2,2),1),((2,3),0),((2,4),0),

-- ((3,0),0),((3,1),1),((3,2),3),((3,3),1),((3,4),0),

-- ((4,0),0),((4,1),1),((4,2),7),((4,3),6),((4,4),1)]

matrizNParticiones :: Integer -> Array (Integer,Integer) Integer

matrizNParticiones n = a

where

a = array ((0,0),(n,n)) [((i,j), f i j) | i <- [0..n], j <- [0..n]]

f 0 0 = 1

f 0 _ = 0

f _ 0 = 0

f _ 1 = 1

f i j = a ! (i-1,j-1) + j * a ! (i-1,j)

-- 4ª definición

-- =============

nParticiones4 :: [a] -> Integer

nParticiones4 xs = sum [a ! (n,k) | k <- [0..n]]

where

n = genericLength xs

a = array ((0,0),(n,n)) [((i,j), f i j) | i <- [0..n], j <- [0..n]]

f 0 0 = 1

f 0 _ = 0

f _ 0 = 0

f _ 1 = 1

f i j = a ! (i-1,j-1) + j * a ! (i-1,j)

-- Comparación de eficiencia

-- =========================

-- λ> nParticiones [1..11]

-- 678570

-- (3.77 secs, 705,537,480 bytes)

-- λ> nParticiones2 [1..11]

-- 678570

-- (0.07 secs, 6,656,584 bytes)

-- λ> nParticiones3 [1..11]

-- 678570

-- (0.01 secs, 262,176 bytes)

-- λ> nParticiones4 [1..11]

-- 678570

-- (0.01 secs, 262,264 bytes)

-- λ> nParticiones2 [1..16]

-- 10480142147

-- (2.24 secs, 289,774,408 bytes)

-- λ> nParticiones3 [1..16]

-- 10480142147

-- (0.01 secs, 437,688 bytes)

-- λ> nParticiones4 [1..16]

-- 10480142147

-- (0.01 secs, 437,688 bytes)

-- λ> length (show (nParticiones3 [1..500]))

-- 844

-- (2.23 secs, 357,169,528 bytes)

-- λ> length (show (nParticiones4 [1..500]))

-- 844

-- (2.20 secs, 357,172,680 bytes)

Pensamiento

Yo he visto garras fieras en las pulidas manos;
conozco grajos mélicos y líricos marranos …
El más truhán se lleva la mano al corazón,
y el bruto más espeso se carga de razón.

Antonio Machado

Divisiones del círculo

PorJosé A. Alonso 22-febrero-20191-marzo-2019

Dado 4 puntos de un círculo se pueden dibujar 2 cuerdas entre ellos de forma que no se corten. En efecto, si se enumeran los puntos del 1 al 4 en sentido de las agujas del reloj una forma tiene las cuerdas {1-2, 3-4} y la otra {1-4, 2-3}.

Definir la función

   numeroFormas :: Integer -> Integer

1	numeroFormas :: Integer -> Integer

tal que (numeroFormas n) es el número de formas que se pueden dibujar n cuerdas entre 2xn puntos de un círculo sin que se corten. Por ejemplo,

   numeroFormas 1   ==  1
   numeroFormas 2   ==  2
   numeroFormas 4   ==  14
   numeroFormas 75  ==  1221395654430378811828760722007962130791020
   length (show (numeroFormas 1000))  ==  598

numeroFormas 1 == 1

numeroFormas 2 == 2

numeroFormas 4 == 14

numeroFormas 75 == 1221395654430378811828760722007962130791020

length (show (numeroFormas 1000)) == 598

Soluciones

import Data.Array

-- 1ª definición
numeroFormas :: Integer -> Integer
numeroFormas 0 = 0
numeroFormas n = aux (2*n)
  where aux 0 = 1
        aux 2 = 1
        aux i = sum [aux j * aux (i-2-j) | j <- [0,2..i-1]]

-- 2ª definición
numeroFormas2 :: Integer -> Integer
numeroFormas2 0 = 0
numeroFormas2 n = v ! (2*n)
  where v   = array (0,2*n) [(i, f i) | i <- [0..2*n]]
        f 0 = 1
        f 2 = 1
        f i = sum [v ! j * v ! (i-2-j) | j <- [0,2..i-1]]

-- Comparación de eficiencia
-- =========================

--    λ> numeroFormas 15
--    9694845
--    (28.49 secs, 4,293,435,552 bytes)
--    λ> numeroFormas2 15
--    9694845
--    (0.01 secs, 184,552 bytes)

import Data.Array

-- 1ª definición

numeroFormas :: Integer -> Integer

numeroFormas 0 = 0

numeroFormas n = aux (2*n)

where aux 0 = 1

aux 2 = 1

aux i = sum [aux j * aux (i-2-j) | j <- [0,2..i-1]]

-- 2ª definición

numeroFormas2 :: Integer -> Integer

numeroFormas2 0 = 0

numeroFormas2 n = v ! (2*n)

where v = array (0,2*n) [(i, f i) | i <- [0..2*n]]

f 0 = 1

f 2 = 1

f i = sum [v ! j * v ! (i-2-j) | j <- [0,2..i-1]]

-- Comparación de eficiencia

-- =========================

-- λ> numeroFormas 15

-- 9694845

-- (28.49 secs, 4,293,435,552 bytes)

-- λ> numeroFormas2 15

-- 9694845

-- (0.01 secs, 184,552 bytes)

Pensamiento

… Y si la vida es corta
y no llega la mar a tu galera,
aguarda sin partir y siempre espera,
que el arte es largo y, además no importa.

Antonio Machado

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